土壤_地下水重金属污染现场原位置固化去除技术和施工

1、土壤·地下水重金属污染现场原位置固化去除技术和施工白 求 力北京联建基础工程技术有限公司1. 土壤·地下水重金属污染的暴露途径和毒性危害1.1.土壤·地下水重金属污染的暴露途径目前，我国的土壤·地下水重金属污染源暴露途径主要来自于以下几个方面：1） 金属矿山的开采、 冶炼过程中以及尾矿、 冶炼废渣和矿渣堆放场地所产生的矿山酸性废水及渗出液和大量流出物未经净化处理以及排放气体中所含重金属粉尘所导致的周边土壤·地下水及河流的重金属污染。2） 电力、煤炭、冶金、建材、土建施工、机械制造、石油加工、电池生产、印刷、化工、造纸、染色、皮革加工、电镀等工业

2、生产过程中所使用的原料、辅助原料以及所生产的中间产品、成品、副产品、夹杂物、废弃物以及自热分解产物和反应产物的不当放置和有毒有害废水、 废气及废渣等污染物的不当排放所导致的周边土壤·地下水及河流的重金属污染。3） 化石燃料的使用以及交通工具运行及其他一些行业所排放的气体中含有一氧化碳、碳氢化合物、 汞、铅等重金属粉尘在空气中附着随风广域漂移扩散后沉降并撒落沉积在地表面，随着降雨或地表水渗透到土层深处滞留并随地下水的径流方向扩散而导致的周边土壤·地下水的重金属污染。4） 农村耕地农药、化肥的不合理使用，污水灌溉及污泥施肥、农用塑料大棚和地膜的风化破损物在土壤中沉积降解所导致的

3、土壤·地下水的重金属污染。5） 一些城镇周边废弃电子产品回收集散地和医疗废弃物的焚烧，垃圾堆放收纳场所、 各类废弃工厂、仓库遗址污染场地沉积物、特殊地貌产生的有毒物质和气体、个别场所辐射性金属元素的泄漏蒸发、 外源性化合物的毒素扩散及人们生活用品废弃物的不当投弃等所导致的周边土壤·地下水及河流的重金属污染。上述几种人类生活和生产活动所产生的污染物质的排放进入环境和生态系统后导致重金属在土壤·地下水中沉积残留、转移和富集积聚，其中一部分溶解在土壤溶液中或吸附在土壤颗粒上， 因雨水的冲洗而迁移流入表面水体或地下水中，含量超出了自然界值正常范围后， 致使土壤·

4、 地下水及河流的自净能力和生态平衡被破坏，造成土壤· 地下水的组成及结构功能发生变化，并导致环境恶化。个别区域土壤·地下水被重金属污染的同时还伴随着挥发性有机物、多环芳香族物质、 二噁英及氢氰酸离子等毒性物质的沉积现象发生，形成复合型重度污染。1.2.土壤·地下水重金属污染的毒性危害1）土壤·地下水重金属污染的特点：重金属污染物在土壤中移动过程一般具有下列特点：扩散作用导致的溶解于土壤溶液中的重金属分子或离子会因浓度梯度由高浓度往低浓度方向移动，并随着土壤水分作整体移动，污染物在土壤·地下水中的移动形态一般上层为原液相，下层为溶解相。由于土壤中

5、多样物质的存在及土壤颗粒的存在空间的不均一性，滞留污染物发生的生物化学分解反应形成的污染现象复杂。重金属从污染源保持固态状或液状形式直接渗透到土层中，其中一部分滞留在土壤间隙中， 并可经渗透作用到达滞水层， 如果滞水层间隙大，还可继续降下渗透到达难透水层并滞留，如果滞水层间隙小，则有毒物质在地下滞水层附近滞留；随着有毒物质在水中的逐渐溶解，而引起地下水污染发生；由于重金属类有1毒物质在土壤中大多以阴、阳离子电荷的形式存在，使有毒成分能够保持现状长期被吸附存在于土壤粘性矿物质间隙中和滞水层底部。2）土壤·地下水重金属污染的毒性危害重金属污染物在生态系统的残留、迁移和富集积聚，其危害程度

6、取决于重金属在环境、食品和生物体内存在的浓度和化学形态，其中对环境和人类健康危害最严重的汞Hg、镉 Cd、铅 Pb、砷 As、铬 Cr 、铜 Cu、锌 Zn、硒 Se、铝 Al 、水银 Hg 等金属、类金属离子和它们的生成物在环境中随PH和各种氧化还原条件的不同而存在各种价态的化合物，并在不同条件下表现出不同的毒性，金属有机化合物比相应的金属无机化合物毒性更强，可溶态的金属又比颗粒状态金属毒性要强。重金属在大气、水体、土壤和生物体内的分布富集，造成农作物减产，经济损失巨大，特别是对农用耕地的污染使农作物和蔬菜中重金属含量超标，而人类处于食物链的终端，通过食物或饮水从环境中摄取重金属并将有毒物质

7、带入人体血液内，其中有些毒物不易排泄，将会在人体的某些器官积蓄而造成慢性中毒；放射性重金属物质的辐射线对人体细胞内的 DNA会造成损伤，危害更大；因此重金属污染易引发各类疾病发生，危害人体健康，对生态环境构成很大的威胁和潜在的风险。因此，开发经济、快速、安全、简洁的土壤·地下水重金属净化去除技术是我国解决当前环境污染的首要任务之一。2. 土壤·地下水重金属污染现场原位置固化去除技术2.1. 目前普遍使用的土壤重金属净化去除工法分类表 -1类别工法特点固化去除使用化学添加剂，降低土壤活性，钝化金属离子，结合采用机械搅拌混合、粉碎和注入等方式，使金属污染物毒性降低；适用于各类土

8、壤及不同深度的净化In-Site处理，添加剂量少，效果快。适用于透水性较好土层的重金属去除，但设备大型化，并先需对土壤进行注水土壤淋洗或添加界面活性剂进行预处理，采用物理化学机理方式去除；不适用于大型场地的净化修复，在复杂水文地质条件下可能会造成二次污染。采用上层客土法对污染土壤进行覆盖采用换填法将污染土壤全部挖除采挖掘换填用翻土法将底层干净土壤与上层污染土壤转换对调稀释法将部分干净土壤与少量污染土壤进行搅拌混合后置于被污染土壤上部进行覆盖，属于临时性措施。烧却温度控制在 800 1200， 高温无氧状态下将污染物分解、脱着及挥发， 融热处理熔融液冷却后成无害化玻璃状灰渣物质，可作为路基骨材使

9、用；属于高耗能操作，成本高。利用电子分解、电子渗透、电子脉动原理，在直流电作用下土壤中重金属阳离电解法子向阴极侧移动积聚，重金属阴离子向阳极侧移动积聚，通过电解质溶液循环泵将阴阳两极重金属离子浓缩、分离并去除。此工法对土壤含水量有一定要求。在重金属污染土壤堆放场地周圈土层中设置地下连续墙结构或止水帷幕装置并封闭储存加以密闭覆盖进行全封闭处理，防止渗出液渗漏对周边土壤·地下水造成影响；占地面积大，施工成本高。利用微生物及植物进行净化修复只能对土壤表层土中的重金属进行净化吸附，微生物及植物修复所需时间长，见效慢；尤其是植物品种地域差别性大，低温时的生物活性降低；对高浓度污染场地效果不明显

10、。上述几种目前普遍使用的土壤重金属净化工法中尤以现地（In-Site）固化去除工法被国际上广泛采用，适用于各种场地的高浓度、超深度、土质复杂的污染治理，见效快。22,2.土壤·地下水重金属污染现场原位置固化去除技术特点现场原位置固化去除技术是指在污染物存放场所及受污染场地范围内将净化剂等材质直接注入土壤中，并通过机械强制搅拌、粉碎、 均质混合、高压喷射等方式使重金属污染物与净化剂进行有效接触，有害物质的分子构造发生化学变化而被分解、固化及吸附， 随着反应进行重金属溶出增加，毒性降低， 使土壤中各重金属含量恢复到自然界值标准以下，从而达到净化修复的目的。适用于各种场合重金属污染土壤的治

11、理，使用材料具有高效反应性能和长效吸附性，添加剂量少，施工方便，净化治理后土壤具有长期稳定性，经济效益高。2.3.土壤·地下水重金属污染现场原位置固化去除技术原理现场原位置固化去除技术所包含的使用净化剂的种类以无机物、天然矿物质材料、生物质材料及人工合成材料为主， 针对不同的重金属污染土壤及超标含量情况所采用的净化剂的种类不同。固化去除的原理主要包括以下几种形式：1） 化学作用：净化过程中，重金属有毒物质与氢氧基、硫离子、碳酸盐、磷酸盐等作用，生成较稳定难溶性氢氧化物及难溶性盐类； 而在高 PH环境中， 金属离子将会由其氢氧化物转变为更为稳定的碳氢化合物。Me(OH) 2 H2CO3

12、 MeCO3 2H2O2） 吸收作用：重金属有毒物质与净化反应剂作用后，穿透其表面层，进入其内部结构中，因此被截留下来，使金属毒性降低。3） 吸附作用：重金属有毒物质凭其自身带有的静电力和依靠万有引力定律及氢键作用，重金属有毒物质附着于吸附剂表面。4） 凝聚作用：净化反应剂在化学机理上可以稳定重金属，而其本身又具有物理作用，可以粘结凝聚或覆盖重金属沉淀物。2.4.污染土壤中重金属的存在形态及净化剂的选择1）污染土壤中重金属的存在形态：土壤重金属污染与土壤挥发性有机物污染净化去除方法的区别在于适用于化学分解、生物分解及热分解的重金属物质种类较少，而熔融处理经济成本又相当高；污染土壤中重金属的存在

13、形态各异，以金属单体形态存在的物质极少，一般以氧化物、碳酸盐、硫酸盐、硅酸盐或它们的错体结构形态存在，又由于重金属各种存在形态在水环境中的溶解度不同，又可区分为易溶性和难溶性物质及挥发性物质；因此，重金属存在形态的确定尤为重要，为固化去除操作的实施提供理论依据。2）净化剂的选择：重金属土壤的净化去除目标一般应以短期内需达成的脱除值及净化后土壤的长期稳定性两个阶段实施效果来考虑。短期处理阶段，应以使用具有天然吸附功能、阳离子交换机能及化学反应迅速的净化剂为主；长期稳定性维持阶段，应结合采用具有风化性的含水非结晶体材料以及低结晶性粘土矿物质材料，以继续固化重金属微量成分。3）净化剂的组合：通常的土

14、壤污染场地，污染物质单独存在及造成的污染较少，重金属土壤污染大多为复合污染，污染程度各式各样，单一净化剂不能达到目标值，需根据现场实际含有重金属类别及浓度而选择净化剂组合形式，将具有化学反应功能和物理吸附凝聚功能的净化材料组合在一起使用，是目前土壤·地下水重金属污染现场原位置固化去除技术的关键所在；因此须通过污染现场的勘察确认来决定各类净化剂的混合比，并依据污染土壤的颗粒情况、含水率、堆放场地情况、水文地质条件等特性来选择施工方法和决定净化剂在污染土单位体积及单位重量内的添加量以达到土壤净化修复目的。3. 土壤·地下水重金属污染现场原位置固化去除技术使用净化剂材料种类根据目

15、前各种土壤·地下水重金属污染现状以及污染程度和净化治理要求，特别是针对3多金属共生矿尾矿渣堆放场所、各类工业废渣污染物、 污染场地沉积物及各类垃圾收纳场所和大面积农耕地等的重金属污染类型，我公司研制开发了下列几种类型的土壤净化剂，施工时可以以粉末状形式在污染土壤中进行分撒、混合搅拌， 或以液态形式通过机械方式注入到污染土壤中并实施均质渗透和混合，以达到最大净化去除效果；各种类土壤净化剂都具有投入剂量少，施工简洁，经济，安全，长效的特点。表 -2净化剂材料种类净化去除原理特点氧化物及硫化物复合型重属于化学反应类型，根据氧化还原反应需调节污染土壤的PH值，防止重金属脱除剂生成难溶性盐类，

16、具有吸附及分离功能。金属的再溶出现象发生。螯合剂属于化学反应类型，具有吸附及分离功化学反应速度快，去除能力强；（ EDTA）能。添加量需严格计算。天然矿物质材料属于地球化学反应类型，含有铁系物质，适用于各 PH土壤的净化， 添加量具有吸附和固化功能。少，处理成本低。磷灰石类材料具有置换反应功能。效果迅速，处理后土质稳定。天然碳酸盐类材料具有离子吸附交换反应功能。属于天然材料，处理时间长。生物质材料热解高碳材料，具有吸附功能。高孔隙度，土壤中稳定性强。水热固化材料属于化学反应类型。依据磷酸钙的结晶而固化。4. 土壤·地下水重金属污染现场原位置固化去除施工程序土壤重金属污染现场文献、既存

17、资料等调查现场土壤地质情况和水文及生态系统等情况取样现场快速分析确认重金属污染种类和含量浓度现状调查报告、室内及现场实证试验、试验结果报告制定施工处理方案和净化目标施工操作中的管理及检测施工效果确认及后期监测5. 土壤·地下水重金属污染现场原位置固化去除施工我国目前土壤·地下水重金属污染现场急需进行净化处理的场所有金属矿山开采冶炼厂址环境及尾矿渣堆放场所、各类型工业加工场地及废渣的堆排放场所、各类废弃物不当投弃及收纳场所、 城镇中及周边废弃各类工厂遗址及废物沉积地等， 各类型场地的净化目的不同，场地的污染情况、 土质状况、 地质条件等也千差万别， 因此需结合每一场地的实际情

18、况制定4相应的施工处理方案，施工中加以监测并及时调整，以实现净化去除目标。5.1.土壤·地下水重金属污染现场原位置固化去除施工工法的选定目前一般通用的工法选定手段是以根据受污染土壤的地质条件来确定施工工法。? 机械混合搅拌及粉碎和人工分撒沉积吸附不饱和层? 适用于污染废弃物堆放场地和农田表层土等的净化? 高压旋喷注入和井点循环注入滞水层? 适用于沉积物渗滤液对不同土层及地下水的污染净化? 深层搅拌桩混合注入和静压渗透注入难透水层? 适用于难透水层与上面土层界面交接处的净化处理5.2 . 土壤·地下水重金属污染现场原位置固化去除施工工法概念示意图我国地域辽阔，地质情况复杂，常

19、见的除粘性土、砂性土、膨胀性土外，还大量分布有各种成因的软弱土层， 包括海相沉积土、 湖相沉积土、 河相或三角洲相沉积土及淤泥河泥炭土等，因此选择污染土壤净化工法时最佳的处理方法就是对污染土进行现地原位置去除处理，并结合现地地质条件，决定实施方案。5.3.土壤·地下水重金属污染现场原位置固化去除施工工法说明1）重金属污染表层土及堆积土破碎搅拌混合工法：采用钢制圆筒混合室形式，容积几立方5数十立方之间， 采用自动投料方式，混合室内设置一定数量的切削粉碎刀具，在电机驱动下混合室内刀具高速转动， 转速约 1000rpm 左右，此时混合室内产生的旋转切削力和冲击力促使圆筒混合室内装填的污染土

20、发生强制研磨破碎现象并与同时添加的净化剂产生均质混合，形成细粒混合土。适用于粘土、砂砾土、淤泥、风化岩等各类暴露污染土的净化处理，粉碎混合过程中， 产生曝气效果， 重金属污染土、 含挥发性有机物污染土和二噁英污染土及含氢氰酸离子污染土等复合污染土可以同时进行净化处理， 净化后处理土可作为路基等回填材料或建材使用。操作时净化剂添加量投入少，可连续操作，效率高，成本低，尤其适用于大容量尾矿渣污染堆积物的固化去除处理。对于农田等浅表层土的轻度污染，净化剂投入时采用机械或人工施撒与污染土搅拌混合，净化剂在土壤中沉积后发生化学反应， 同时具有吸附和凝聚作用， 短时间内净化去除效果明显，并具有长效性。2）

21、高压旋喷注入工法：对于浅表层土以下透水性低的污染土层，地下水和净化剂的混合不能达到完全均匀状态，因此就会影响净化效果的实施。而如果采用二重管或三重管高压旋喷注入工法， 采用空气、水 ( 净化剂 ) 在 30MPa高压状态下进行旋转喷射，随着喷射进行，土壤被强力切削扰动，此时污染物质与净化剂瞬间发生搅拌混合现象而达到净化目的。孔间距、排间距可以按要求设定，土层中的扩散半径需要有效搭接，以避免死角发生而影响整体固化去除效果。 广泛适用于深层土壤·地下水重金属污染区域的治理，不受场地限制，运行中厂区内及废弃场地均可实施。3）井点循环注入工法：适用于较低浓度污染、且透水性较好的的土壤·地下水的净化处理。